近日，暨南大学物理与光电工程学院（理工学院）陈振强、李真科研团队揭示了新颖的物理光学现象：在自由空间中，多个光学涡旋与反涡旋集群能够在传播中的相干光场中逐渐结晶成稳定的晶格模式，该模式在几个瑞利距离的传输过程中保持晶格形态不变（图1）。相关研究成果以题为“Optical vortex-antivortex crystallization in free space”发表在国际权威期刊Nature Communications。博士后林浩麟、硕士生廖逸萱为论文共同第一作者，付神贺、李真、陈振强教授为共同通讯作者，特拉维夫大学Boris Malomed教授为论文合作者。

  涡旋结构广泛存在于超导物理、玻色-爱因斯坦凝聚、流体力学、声学、光学等领域。涡旋-反涡旋单元能够自发组织形成相应的极性晶格结构（图1）。然而，涡旋-反涡旋之间存在强烈的相互作用，导致这些晶格结构极其不稳定，在传输或演化过程中产生不可预测的散斑场。这一问题在大容量光信息传输与处理、多粒子光操控、多维度显微成像等光学前沿领域尤为突出，限制了相关光学技术的发展与应用。

图1: 稳定与非稳定涡旋-反涡旋晶格结构的传播示意图（理论）。a左图为设计的方形晶格结构，由交替分布的涡旋和反涡旋单元形成。红色和蓝色标记分别表示光学涡旋和反涡旋；右图为稳定传输的晶格示意图。b不稳定的涡旋-反涡旋晶格结构，其涡旋和反涡旋单元的分布是非交替的。c和d分别为两种不同晶格结构的相位演化过程：即不同传播距离晶格相位梯度场在空间的分布，其中z为传播距离，Zr是光学瑞利长度。

图 2:涡旋-反涡旋晶格（含5x5个单元）稳定传播。不同传播距离下实验观测的光强分布（a-d）和相位分布（e-h）。实验结果与理论预测结果（i-p）保持一致。

 陈振强、李真教授带领科研团队攻克了这一基础问题。该研究团队提出涡旋-反涡旋相互作用模型，用于描述不同极性涡旋之间的相互耦合。团队指出，涡旋-反涡旋之间的耦合相互作用强烈依赖于涡旋结构的空间分布，即不同的涡旋结构将表现出不同的相互作用效果。涡旋-反涡旋相互作用的存在引发光学结构相变，进而导致涡旋晶格结构的不稳定传输。然而，涡旋-反涡旋单元之间存在一种特殊的结构，使得不同晶格位置上涡旋和反涡旋之间的有效相互作用刚好达到平衡，此时出现稳定的涡旋-反涡旋晶格化现象（图2）。该团队不仅从理论上导出涡旋-反涡旋结晶的条件，还从实验上验证了这一猜想，证实了涡旋-反涡旋稳定传输的效应。

 值得一提的是，论文提出的涡旋-反涡旋耦合（即光子轨道-轨道耦合）物理机制与广泛研究的光子自旋-轨道耦合机制不同，属于不同形式的光子角动量间的相互作用。由于波动体统的相似性，该效应有望进一步推广至其它物理波动体系，如物质波、表面水波、声波等。因此，该研究方法为物理波场调控开辟了新的技术原理。

该研究得到国家自然科学基金项目、广东省重点项目、广州市科技计划项目等的支持。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-50458-y